钻井水力参数计算

钻井水力参数设计计算

已知：某216mm井眼，井深3005m，钻具组合为216mmbit+177.8mmDC(309m，内径71.44mm)+ +127mmDP(内径108.6mm，2696m)，钻井液密度1.35g/cm3，Φ600＝47，Φ300＝32，Φ3＝4，泵的排量为34.55l/s，最大泵压 18MPa，试设计本井段的水力参数。流量系数C=0.98

1．流变参数计算

钻杆内流型指数：

np 3.322log( 600/ 300) 3.322log(47/32) 0.5546

钻杆内稠度系数：

Kp 0.511 600/1022

np

0.511 47/1022

0.5546

0.5146(Pas)

n

环空流型指数：

na 0.5log( 300/ 3) 0.5log(32/4) 0.4515

环空稠度系数：

Ka 0.511 300/511

na

0.511 /511

0.4515

0.9786

2．计算钻柱内压力损失

钻杆内分两段，分别是177.8mm钻铤（309m，内径71.44mm），2696mm钻杆2800米，先分别计算钻柱内水力压力损失。

（1）钻杆内 1）钻杆内流速

Vp

4Q

4*34.55*10

3

2

di

2

3.1415*(0.1086)

3.725m/s

2）计算管内雷诺数

Re

8

np 1

diVp

np2 np

np

8

1.35 10 0.1086

0.5546 1

30.5546

2.7

2 0.5546

0.5546

11693.5

3np 1

Kp

4n

p

3 0.5546 1

0.5146

4 0.5546

3）判别流态

若Re 3470 1370n，则为层流

若Re 4270 1370n，则为紊流

钻井水力参数设计计算

若3470 1370n Re 4260 1370n，则为过渡流 C1 3470 1370np 3470 1370 0.5546 2170.2C2 4270 1370np 4270 1370 0.5546 3510.2

由于Re＝11693.5>C2，为紊流 4）计算范宁摩阻系数

层流：f

16Re

紊流：f a/Reb

aG Re C1 b 过渡流：f C1 C2C1 800

G

其中： G=16

b

（钻杆内） （环空中）

50

G=24

a

logn 3.93

1.75 logn

7

C1 3470 1370nC2 4270 1370n

按紊流计算公式，先计算a，b：

a b

logn 3.93

501.75 logn

7

log0.5546 3.93

50

1.75 log0.5546

7

0.07348 0.28657

按照紊流摩阻系数计算公式：

f a/Re

b

0.07348/11693.5

0.28657

5.01647 10

3

5）计算钻杆内的压耗

钻井水力参数设计计算

Pp2

2f VpLdi

2

2 5.01647 10

3

1.35 10 3.7250.1086

32

2696

4.663(MPa)

（2）钻铤内压耗计算

1）钻铤内流速

Vc

4Q

4*34.55*10

3

2

di

2

3.1415*(0.07144)

8.62m/s

2）计算管内雷诺数

Re

8

np 1

diVp

np2 np

np

1.35 10 0.0.07148

0.5546 1

30.5546

2.7

2 0.5546

0.5546

31148.2

3np 1

Kp

4n

p

3 0.5546 1

0.5146

4 0.5546

3）判别流态

若Re 3470 1370n，则为层流

若Re 4270 1370n，则为紊流

若3470 1370n Re 4260 1370n，则为过渡流 C1 3470 1370np 3470 1370 0.5546 2170.2C2 4270 1370np 4270 1370 0.5546 3510.2

由于Re＝31148.2>C2，为紊流 4）计算范宁摩阻系数

层流：f

16Re

b

紊流：f a/Re

aG Re C1

b C1 C2C1 800G

过渡流：f

其中： G=16

G=24

（钻杆内） （环空中）

钻井水力参数设计计算

a

logn 3.93

501.75 logn

7

b

C1 3470 1370n C2 4270 1370n

按紊流计算公式，先计算a，b：

a b

logn 3.93

501.75 logn

7

log0.5546 3.93

50

1.75 log0.5546

7

0.07348 0.28657

按照紊流摩阻系数计算公式：

f a/Re

b

0.07348/31148.2

0.28657

3.78848 10

3

5）计算钻杆内的压耗

Pp2

2f VcLdi

2

2 3.78848 10

3

1.35 10 8.62 309

32

0.07144

3.2857(MPa)

钻具内的总压耗为Pp=Pp1+Pp2=4.663＋3.2857=7.95MPa

3. 计算环空压力损失

环空划分为二段，第一段是216mm钻头与177.8mm的钻铤组成的长为309米的流道，第二段为216mm钻头与127mm的钻杆组成的长为2696m的流道。

（1）第一段环形空间的压力损失 1）计算环空返速

Va

4Q

4 34.55*10

3

2

(D D)

2

w2p

(0.216

2

0.1778)

2.924m/s

2）计算环空段雷诺数：

钻井水力参数设计计算

Re

Dw Dp Va

na

2 na

na

1.35 1012

3

0.216 0.1778 0.4515

2.11

2 0.4515

12

na 1

2na 1

Ka 3n a

0.4515 1

2 0.4515 1

0.9786

3 0.4515

0.4515

5574.1

3）流态判别

若Re 3470 1370n，则为层流 若Re 4270 1370n，则为紊流

若3470 1370n Re 4260 1370n，则为过渡流

C1 3470 1370na 3470 1370 0.4515 2851.38C2 4270 1370na 4270 1370 0.4515 3651.38

由于Re>C2，为紊流 4）计算范宁摩阻系数

先计算a，b：

logna 3.93log0.4515 3.93a 0.0717

50501.75 logna1.75 log0.4515b 0.2993

77按照紊流摩阻系数计算公式：

f a/Re

b

0.0717/5574.1

0.2993

5.4218 10

3

过渡流范宁摩阻系数：

aG Re C1 f b C1 C2C1 800

G

0.0756424 2983.5 2495.44

0.27113

2495.44 3295.442495.44 800

3

24

8.883 10

5）压降计算

钻井水力参数设计计算

Pa1

2f VaLDw Dp

2

2 5.4218 10

3

1.35 10 2.924

32

309

0.216 0.1778

1.01(MPa)

2）第二段环形空间的压力损失 1）计算环空返速

Va

4Q

4 34.55*10

3

2

(D D)

2w2p

(0.216

2

0.127)

1.441m/s

2）计算环空段雷诺数：

Re

Dw Dp Va

na

2 na

na

1.35 1012

3

0.216 0.127 0.4515

1.441

2 0.4515

12

na 1

2na 1

Ka 3n a

0.4515 1

2 0.4515 1

0.9786

3 0.4515

0.4515

2729.8

3）流态判别

若Re 3470 1370n，则为层流 若Re 4270 1370n，则为紊流

若3470 1370n Re 4260 1370n，则为过渡流

C1 3470 1370na 3470 1370 0.4515 2851.38C2 4270 1370na 4270 1370 0.4515 3651.38

由于Re<C1，为层流 4）计算范宁摩阻系数

按照层流摩阻系数计算公式：

f

24Re

242729.8

8.7918 10

3

5）压降计算

Pa1

2f VaLDw Dp

2

2 8.7918 10

3

1.35 10 1.441 2696

32

0.216 0.127

1.493(MPa)

钻井水力参数设计计算

环空总的压降为：Pa=Pa1+Pa2 =1.01+1.493=2.503 (MPa)

4．计算管内和环空总的压力损失

Pc=Pa+Pp=2.50+7.95=10.45 (MPa)

Pb=Pr-Pc=17.34-10.45=6.89 MPa

1/4

1/4

5．计算钻头压降 6．计算喷嘴当量直径

2

Q

de

0.125C2 2P

b

32

1.35 10 (0.03455) 0.125 0.9823.142 6.89 106

0.02142m 21.42mm

喷嘴出口速度：V0=95.9m/s 射流冲击力Fj＝4.59kN 钻头水功率Nj＝234.94kw 7．水力参数计算

钻头压降：Pb

Q

2220

2CA

钻头水功率：Nb PbQ

Q

2

32

2CA0

钻头水功率：Fj

Q

A0

2

喷射速度：Vz

QA0

根据喷嘴的等效面积可以选择二喷嘴或三喷嘴，并计算出每一个喷嘴的直径。

常规水力参数计算符号意义：

Ao：等效喷嘴面积，m2； C：喷嘴流量系数 Dw：井眼直径，m；

钻井水力参数设计计算

Dp：钻具外径，m； di：钻具内径，m； Fj：射流冲击力，N； f：范宁摩阻系数； K：稠度系数，Pa.sn； n：流型指数；

L：流道几何尺寸不变的钻具长度，m； Nb：钻头水功率，J Pb：钻头压降，Pa； Q：钻井液排量，m3/s； Re：雷诺数

Va：钻井液环空返速，m/s； Vp：钻井液在管内的流速，m/s； Vz：射流喷射速度，m/s； 600：旋转粘度仪600转读数 300：旋转粘度仪300转读数 3：旋转粘度仪3转读数 ：钻井液密度，kg/m3。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gwae.html